图像和流媒体 -- I 帧,B帧,P帧,IDR帧的区别

参看：什么是I帧,P帧,B帧

参看：H264编码原理以及I帧B帧P帧

一、H246简介

    H264是新一代的编码标准，以高压缩高质量和支持多种网络的流媒体传输著称，在编码方面，我理解的他的理论依据是：参照一段时间内图像的统计结果表明，在相邻几幅图像画面中，一般有差别的像素只有10%以内的点,亮度差值变化不超过2%，而色度差值的变化只有1%以内。所以对于一段变化不大图像画面，我们可以先编码出一个完整的图像帧A，随后的B帧就不编码全部图像，只写入与A帧的差别，这样B帧的大小就只有完整帧的1/10或更小！B帧之后的C帧如果变化不大，我们可以继续以参考B的方式编码C帧，这样循环下去。这段图像我们称为一个序列（序列就是有相同特点的一段数据），当某个图像与之前的图像变化很大，无法参考前面的帧来生成，那我们就结束上一个序列，开始下一段序列，也就是对这个图像生成一个完整帧A1，随后的图像就参考A1生成，只写入与A1的差别内容。

    在H264协议里定义了三种帧，完整编码的帧叫 I 帧，参考之前的 I 帧生成的只包含差异部分编码的帧叫 P 帧，还有一种参考前后的帧编码的帧叫 B 帧。

    H264采用的核心算法是帧内压缩和帧间压缩，帧内压缩是生成 I 帧的算法，帧间压缩是生成 B 帧和 P 帧的算法。

二、序列的说明

在H264中图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以 I 帧开始，到下一个 I 帧结束。

一个序列的第一个图像叫做 IDR 图像（立即刷新图像），IDR 图像都是 I 帧图像。H.264 引入 IDR 图像是为了解码的重同步，当解码器解码到 IDR 图像时，立即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始一个新的序列。这样，如果前一个序列出现重大错误，在这里可以获得重新同步的机会。IDR 图像之后的图像永远不会使用 IDR 之前的图像的数据来解码。

一个序列就是一段内容差异不太大的图像编码后生成的一串数据流。当运动变化比较少时，一个序列可以很长，因为运动变化少就代表图像画面的内容变动很小，所以就可以编一个 I 帧，然后一直 P 帧、B 帧了。当运动变化多时，可能一个序列就比较短了，比如就包含一个 I 帧和 3、4个P帧。

三、3 种帧的说明

（1）I帧

I 帧：帧内编码帧 ，I 帧表示关键帧，你可以理解为这一帧画面的完整保留；解码时只需要本帧数据就可以完成（因为包含完整画面）

I 帧特点:

1）它是一个全帧压缩编码帧。它将全帧图像信息进行 JPEG 压缩编码及传输;

2）解码时仅用 I 帧的数据就可重构完整图像;

3）I 帧描述了图像背景和运动主体的详情;

4）I 帧不需要参考其他画面而生成;

5）I 帧是 P 帧和 B 帧的参考帧(其质量直接影响到同组中以后各帧的质量);

6）I 帧是帧组 GOP 的基础帧(第一帧),在一组中只有一个 I 帧;

7）I 帧不需要考虑运动矢量;

8）I 帧所占数据的信息量比较大。

（2）P帧 

P 帧：前向预测编码帧。P 帧表示的是这一帧跟之前的一个关键帧（或P 帧）的差别，解码时需要用之前缓存的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。（也就是差别帧，P 帧没有完整画面数据，只有与前一帧的画面差别的数据）

P帧的预测与重构：P 帧是以 I 帧为参考帧,在 I 帧中找出 P 帧“某点”的预测值和运动矢量，取预测差值和运动矢量一起传送。在接收端根据运动矢量从 I 帧中找出 P 帧“某点”的预测值并与差值相加以得到 P 帧“某点”样值,从而可得到完整的 P 帧。

P 帧特点:

1）P 帧是 I 帧后面相隔 1~2 帧的编码帧;

2）P 帧采用运动补偿的方法传送它与前面的 I 或 P 帧的差值及运动矢量(预测误差);

3）解码时必须将 I 帧中的预测值与预测误差求和后才能重构完整的 P 帧图像;

4）P 帧属于前向预测的帧间编码。它只参考前面最靠近它的 I 帧或 P 帧;

5）P 帧可以是其后面 P 帧的参考帧,也可以是其前后的 B 帧的参考帧;

6）由于 P 帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散;

7）由于是差值传送，P 帧的压缩比较高。

（3）B帧

B 帧：双向预测内插编码帧。B 帧是双向差别帧，也就是 B 帧记录的是本帧与前后帧的差别（具体比较复杂，有 4 种情况，但我这样说简单些），换言之，要解码 B 帧，不仅要取得之前的缓存画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B 帧压缩率高，但是解码时 CPU 会比较累。

B 帧的预测与重构：B 帧以前面的 I 或 P 帧和后面的 P 帧为参考帧,“找出”B 帧“某点”的预测值和两个运动矢量,并取预测差值和运动矢量传送。接收端根据运动矢量在两个参考帧中“找出(算出)”预测值并与差值求和,得到 B帧“某点”样值,从而可得到完整的 B 帧。

B 帧特点

1）B 帧是由前面的 I 或 P 帧和后面的 P 帧来进行预测的;

2）B 帧传送的是它与前面的 I 或 P 帧和后面的 P 帧之间的预测误差及运动矢量;

3）B 帧是双向预测编码帧;

4）B 帧压缩比最高，因为它只反映丙参考帧间运动主体的变化情况,预测比较准确;

5）B 帧不是参考帧,不会造成解码错误的扩散。

注：I、B、P 各帧是根据压缩算法的需要，是人为定义的,它们都是实实在在的物理帧。一般来说，I 帧的压缩率是7（跟JPG差不多），P 帧是20，B 帧可以达到50。可见使用 B 帧能节省大量空间，节省出来的空间可以用来保存多一些 I 帧，这样在相同码率下，可以提供更好的画质。

下面举例说明：

在如上图中，GOP (Group of Pictures) 长度为 13，S0~S7 表示 8 个视点，T0~T12 为 GOP 的 13 个时刻。每个 GOP 包含帧数为视点数 GOP 长度的乘积。在该图中一个 GOP 中，包含 94 个 B 帧。B 帧占一个 GOP 总帧数的 90.38%。GOP 越长，B 帧所占比例更高，编码的率失真性能越高。下图测试序列 Race1 在不同 GOP 下的率失真性能对比。

四、压缩算法的说明

h264的压缩方法：

（1）分组：把几帧图像分为一组(GOP，也就是一个序列)，为防止运动变化,帧数不宜取多。

（2）定义帧：将每组内各帧图像定义为三种类型,即 I 帧、B 帧和 P 帧;

（3）预测帧：以I帧做为基础帧，以 I 帧预测 P 帧,再由 I 帧和 P 帧预测 B 帧;

（4）数据传输：最后将 I 帧数据与预测的差值信息进行存储和传输。

    帧内（Intraframe）压缩也称为空间压缩（Spatial compression）。当压缩一帧图像时，仅考虑本帧的数据而不考虑相邻帧之间的冗余信息，这实际上与静态图像压缩类似。帧内一般采用有损压缩算法，由于帧内压缩是编码一个完整的图像，所以可以独立的解码、显示。帧内压缩一般达不到很高的压缩，跟编码 jpeg 差不多。　　

    帧间（Interframe）压缩的原理是：相邻几帧的数据有很大的相关性，或者说前后两帧信息变化很小的特点。也即连续的视频其相邻帧之间具有冗余信息,根据这一特性，压缩相邻帧之间的冗余量就可以进一步提高压缩量，减小压缩比。帧间压缩也称为时间压缩（Temporal compression），它通过比较时间轴上不同帧之间的数据进行压缩。帧间压缩一般是无损的。帧差值（Frame. differencing）算法是一种典型的时间压缩法，它通过比较本帧与相邻帧之间的差异，仅记录本帧与其相邻帧的差值，这样可以大大减少数据量。

       顺便说下有损（Lossy ）压缩和无损（Lossy less）压缩。无损压缩也即压缩前和解压缩后的数据完全一致。多数的无损压缩都采用RLE行程编码算法。有损压缩意味着解压缩后的数据与压缩前的数据不一致。在压缩的过程中要丢失一些人眼和人耳所不敏感的图像或音频信息,而且丢失的信息不可恢复。几乎所有高压缩的算法都采用有损压缩,这样才能达到低数据率的目标。丢失的数据率与压缩比有关,压缩比越小，丢失的数据越多,解压缩后的效果一般越差。此外,某些有损压缩算法采用多次重复压缩的方式,这样还会引起额外的数据丢失。

五、I 帧与 IDR 帧的区别

IDR（Instantaneous Decoding Refresh）--即时解码刷新。

    I 和 IDR 帧都是使用帧内预测的。它们都是同一个东西而已，在编码和解码中为了方便，要首个 I 帧和其他 I 帧区别开，所以才把第一个首个 I 帧叫 IDR，这样就方便控制编码和解码流程。IDR 帧的作用是立刻刷新，使错误不致传播,从IDR帧开始，重新算一个新的序列开始编码。而 I 帧不具有随机访问的能力，这个功能是由 IDR 承担。IDR 会导致DPB（参考帧列表——这是关键所在）清空，而 I 不会。IDR 图像一定是 I 图像，但I图像不一定是 IDR 图像。一个序列中可以有很多的I图像，I 图像之后的图像可以引用 I 图像之间的图像做运动参考。一个序列中可以有很多的 I 图像，I 图像之后的图象可以引用I图像之间的图像做运动参考。

    对于 IDR 帧来说，在 IDR 帧之后的所有帧都不能引用任何 IDR 帧之前的帧的内容，与此相反，对于普通的 I 帧来说，位于其之后的 B- 和 P- 帧可以引用位于普通 I- 帧之前的 I- 帧。从随机存取的视频流中，播放器永远可以从一个 IDR 帧播放，因为在它之后没有任何帧引用之前的帧。但是，不能在一个没有 IDR 帧的视频中从任意点开始播放，因为后面的帧总是会引用前面的帧。

举个例子，在一段视频中，存在以下帧：I P B P B P B B P I P B…

如果这段视频应用了多重参照帧，那么蓝色的 P 帧在参照他前面的 I 帧（红色）的同时，还可能会参照 I 帧之前的 P （绿色），由于 I 帧前后的场景可能会有很大的反差甚至根本不同，所以此时 P 帧参考I帧之前的帧不但会没有意义，反而会造成很多问题。所以一种新型的帧被引入，那就是 IDR 帧。如果这段视频应用了多重参考帧的同时采用了 IDR 帧，那么帧的顺序就会变成这样：I P B P B P B B P IDR P B…

由于 IDR 帧禁止后面的帧向自己前面的帧参照，所以这回那个蓝色的 P 帧就不会参照绿色的 P 帧了。

六、获取 I 帧

使用 ffmpeg 获取 I 帧

参看：wiki -- ffmpeg

参看：[FFmpeg] ffmpeg 常用命令

指令为：ffmpeg -i wkll.mp4 -ss 00:00:00 -t 1 -r 1 -q:v 2 -f image2 pic-%03d.jpeg

参考：https://blog.csdn.net/qq_29350001/java/article/details/73770702